- 音頻電路非線(xiàn)性的來(lái)源
- 非線(xiàn)性交流效應測試方法
- 怎樣避免電容器電壓系數的影響
- 采用電壓系數非常低的陶瓷電容器
- 計算標準交流耦合的截止頻率點(diǎn)
- 選擇合適的輸入耦合電容器降低電壓系數的影響
在音頻電路設計中通常采用無(wú)源元件設置增益，提供電流偏置和電流退耦，并用來(lái)分隔相對獨立的直流電路模塊。而對于便攜式音頻設計，因為受到空間、高度和價(jià)格的限制，必須采用小封裝、低高度和低價(jià)格的無(wú)源元件。
1非線(xiàn)性的來(lái)源
電容器和電阻器都具有電壓系數，就是說(shuō)如果在其兩端施加不同的電壓時(shí)其物理參數會(huì )發(fā)生變化。例如，一個(gè)在零電壓下精確阻值為1.00kΩ的電阻器，如果施加10V的端電壓，那么，它的阻值將變?yōu)?.01kΩ。電壓系數的影響程度取決于元件的類(lèi)型、結構和化學(xué)成分（對于電容器）。有些生活廠(chǎng)家會(huì )提供元件的電壓系數曲線(xiàn)圖，給出標稱(chēng)電壓百分比和標稱(chēng)電容器百分比的關(guān)系曲線(xiàn)。新一代薄膜電阻器具有非常好的電壓系數，實(shí)驗室條件下很難測量其誤差。電容器則不同，從以下幾方面來(lái)看將會(huì )限制音頻性能。
●電壓系數。
●介質(zhì)吸收（DA）：一個(gè)看似完全放電的電容器仍然會(huì )有極少量的電荷殘留。
●等效串聯(lián)阻抗（ESR）：這是一個(gè)與頻率相關(guān)的參數，一個(gè)經(jīng)串聯(lián)耦合電容器驅動(dòng)的低阻抗耳機或擴音器，由于耦合電容器存在ESR將會(huì )限制最大輸出功率。
●顫噪效應：有一些電容器具有有顯著(zhù)的壓電效應，但它受到外部壓力彎曲時(shí)，會(huì )在兩端產(chǎn)生相應的電壓輸出。
●公差：對于多數大容量的電容器（幾微法或者更高），一般很少標注公差值。而電阻器的公差一般為1%~2%。
下面介紹一種測試方法，同時(shí)也包括簡(jiǎn)單的測試電路。從音頻測試設備顯示結果來(lái)看，要吧清楚地量化音頻信號電路的電容器非常線(xiàn)性對音頻質(zhì)量的影響。我們的目的主要是提醒讀者注意這種現象，仔細觀(guān)察這種有代表性的結果，并且提供一種有效的測試和比較方法。[page]
2測試方法
電容器的非線(xiàn)性交流效應比較容易發(fā)現。如果以模擬音頻電路的頻率響應來(lái)劃分，最基本的濾波器包括高通、低通和帶通三種，這些濾波器的非線(xiàn)性特性是真實(shí)的并且是可以量化的。
考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的高速RC濾波器（見(jiàn)圖1）。當輸入信號頻率高于它的-3db截止頻率時(shí)，電容器相對于電阻器來(lái)說(shuō)具有很低的阻抗。如此高頻的交流信號在電容器兩端會(huì )產(chǎn)生非常小的壓差，那么電容電壓系數的影響就可以忽略。但是電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）與輸入信號電流的乘積會(huì )在電容器上產(chǎn)生相應的壓降，必須注意ESR的非線(xiàn)性會(huì )增大電路的總諧波失真（THD）。
當信號頻率接受或等于-3db截止頻率的總諧波失真（THD），這種測試突出了電容器電壓系數的非線(xiàn)性特性對THD的影響。測試電路基于一個(gè)-3db截止頻率為1kHz的高通RC濾波器。當我們選擇不同結構、不同材料及不同類(lèi)型的電容器時(shí)，在音頻分析儀上觀(guān)察THD的變化情況。我們選擇了多種類(lèi)型的1μF的電容器進(jìn)行測試。配合150Ω的負載電阻器，構成一個(gè)標稱(chēng)截止頻率等于1kHz的耳機濾波器。需要注意的是電容器兩端沒(méi)有額外的直流偏置，輸入/輸出具有同樣的直流電位。
3不同電容器的測量結果
圖2給出上述電路的THD+N與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，圖（a）選用的是聚酯電容器，額定電壓為25V的通孔聚酯電容器并不適用于便攜式設備。從該圖可以清楚地看出電容器電壓系數對總諧波失真THD的影響。注意聚酯電容器將導致1kHz頻率以下THD的升高，實(shí)際輸出信號減小。另外，我們注意到頻率高于1kHz以后聚酯電容器造成的影響非常小，TND+N指標只是略微高于參考值。
便攜式設備中大量使用鉭電容器，耳機放大器的隔直流電容通常要在幾個(gè)μF以上。圖(b)是另外一個(gè)THD+N與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，它包含一個(gè)傳統的通也鉭電容器測試曲線(xiàn)和三個(gè)普通的表貼型鉭電容器測試曲線(xiàn)。所有電容器的容值都是1μF，所不同的只是物理尺寸和額定電壓（請參考表1）。注意測試時(shí)沒(méi)有施加直流偏置電壓。
在音頻電路中經(jīng)常采用陶瓷電容器作為交流耦合元件，在低頻提升和濾波電路中也大量使用。圖2(C)所示測試曲線(xiàn)類(lèi)似于圖2(b)，所不同的只是采用了表2給出的三種陶瓷電容器做測試。
表1三種表貼型鉭電容器的參數
表2三種表貼型陶瓷電容的參數
圖2(c)同樣給出了一個(gè)隨機選取的能孔陶瓷電容器的測試曲線(xiàn)。從圖上觀(guān)察，對于X5R的陶瓷電容器來(lái)說(shuō)，在-3db截止頻率(1kHz點(diǎn))附近最差的THD+N值為0.2%,相當于-54db的失真。大多數16位音DAC和編解碼器（CODEC）的THD指標都優(yōu)于這個(gè)數值。在這里，我們需要注意COG介質(zhì)電容器具有非常低的電壓系數，但它的最大電容量受到限制，通常最大值只有0.047μF。上述測試用了1μF電容器，所以沒(méi)有包括COG電容器。
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4怎樣避免電容器電壓系數的影響
圖3所示音頻放大器采用了一種新穎的交流耦合方式，它與傳統的耦合電路配置相比只需要非常小的耦合電容器。圖中輸入電容器（C1）的容量?jì)H為0.047μF。因此，我們可以采用電壓系數非常低的COG/1206陶瓷電容器這樣可以最大限度地降低電壓系數的影響。運算放大器（必須采用低偏置電流的放大器，例如MAX4490型）的直流反饋由兩個(gè)100kΩ的電阻器（R3和R4）組成，C2和R5用來(lái)衰減直流反饋環(huán)路的音頻頻率。主要音頻反饋元件為R1、R2和C1三個(gè)無(wú)源元件。根據圖中所示的元件值，該電路的-3db截止頻率設置在5Hz。
圖3示出一種新穎的輸入耦合配置音頻放大器允許采用較小容值的COG/1206陶瓷電容器作為輸入耦合電容器，以最大限度地降低電壓系數的影響，適用于便攜式音頻放大器。復合反饋環(huán)路基本上具有一階的低頻衰減響應，但是它民可以調整為兩階響應的高通濾波器。調整圖3中的相關(guān)無(wú)源元件時(shí)需要注意放大電路的過(guò)載響應和與之相關(guān)的峰值。圖示電路具有近似的最大平坦度高通響應。這個(gè)電路可以簡(jiǎn)單運用到偽差分和全差分輸入級放大電路設計中。
圖4所示是圖3音頻放大器的頻率響應曲線(xiàn)，頻率低于10Hz時(shí)該電路具有-20db/每10倍頻程的衰減，它的-3db截止頻率位于5Hz附近。圖5所示立體聲耳機放大器MAX4410彩了一種創(chuàng )新的專(zhuān)利技術(shù)即DirectDrive。盡管采用單電源供電，但其輸出直流電平被設置在0V，因此，放大器輸出可以采用直流耦合方式直接與耳機連接。DirectDrive技術(shù)具有如下的優(yōu)勢：
●不需要采用大容量的（100μF~470μF典型值）隔直耦合電容器，避免了電容器的電壓系數所造成的輸出音頻THD指標惡化。
●圖5所示電路具有極低的-3db截止頻率，根據輸入電容和輸入電阻可以計算出截止頻率為1.6Hz。如果我們考慮標準交流耦合的16Ω耳機放大器具有同樣的1.6Hz的-3db截止頻率點(diǎn)，那么，需要的耦合電容器容值為6200μF。因此放大器的低頻響應幾乎與負載無(wú)關(guān)。
●節省了大容量的交流耦合電容器也節省了電路板面積。同時(shí)，大容量耦合電容器相對于MAX4410需要的1μF和2.2μF的小陶瓷電容器來(lái)說(shuō)，價(jià)格也偏高。
●這種輸出架構支持吸入和源出（相對于以地為參考的負載）負載電流。MAX4410放大器內部集成了電荷泵，它產(chǎn)生一個(gè)與輸入正電源（Vdd）極性相反的負電源（Pvss）。放大器輸出電壓擺幅將接近2Vdd，是傳統單電源交流耦合耳機放大器輸出擺幅的2倍。
圖5所示MAX4410典型的立體聲耳機放大器應用電路。設置輸入電容Cin等于10μF時(shí)能夠將電容器電壓系數的影響限制到亞音頻頻率，該電路省略了大容量的輸出耦合電容器。
在這個(gè)例子中，我們只需選擇一個(gè)合適的輸入耦合電容器（包括容量和介質(zhì)類(lèi)型）以盡量降低電壓系數的影響。如果選定10kΩ的輸入電阻器和10μF的輸入陶瓷電容器Cin，那么該電路的-3db截止頻率等于1.6Hz。
關(guān)于大容量電容器，圖6給出兩種100μF電容器和16電阻器組成的無(wú)源高通濾波器的THD+N與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。在100Hz、-3db截止頻率，兩種電容器的電壓系數均會(huì )導致THD指標惡化。100μF的鉭電容器在-3db截止頻點(diǎn)THD+N指標為0.2%。如果采用Maxim專(zhuān)有的DirectDrive放大器，因為省略了這個(gè)大容易輸出耦合電容器，可大大改進(jìn)低頻和音頻質(zhì)量。在圖6所示曲線(xiàn)中，MAX4410測試曲線(xiàn)近似等于參考值。
圖6所示是兩種不同類(lèi)型的100μF電容器（鉭電容器和鋁電解電容器），驅動(dòng)16Ω負載，-3db截止頻率等于100Hz。Maxim專(zhuān)有的DirectDrive放大器省略了這個(gè)大容量的輸出耦合電容器。
模擬音頻電路中的無(wú)源元件會(huì )對音頻質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。我們采用標準的音頻測試設備可以簡(jiǎn)單地對這種不良效果進(jìn)行評估和檢查。觀(guān)察上述不同類(lèi)型電容器的測試結果就會(huì )發(fā)現：锃電解電容器和聚酯電容器具有極低的THD，而X5R陶瓷電容器的THD測試結果最差。當我們選擇有源器件時(shí)，在音頻通道應該盡量減少交流耦合電容器的數量。例如，對于耳機放大器來(lái)說(shuō)選擇差分信號通路或DirectDrive放大器。如果可能，在設計音頻電路的時(shí)候盡量采用低容量的電容器，例如COG或PPS介質(zhì)電容器，可以有效降低電容器電壓系數的不良影響，同時(shí)將-3db截止頻率設定到亞音頻范圍內。
